Frankfurter Allgemeine Zeitung, 03.04.2002:

Ein Baukasten für die Nanotechnik

Halbleitende Zylinder und tropfenförmige Quantenpunkte / Regelmäßige Anordnung

Die Nanotechnik ist eine der Wissenschaften, die dieses Jahrhundert prägen werden, darin sind sich die Wissenschaftler in aller Welt einig. Sie zielt darauf ab, winzige elektrische und mechanische Bauteile herzustellen, die selbst mit dem besten Lichtmikroskop kaum zu erkennen sind, weil ihre Größe nur ein Tausendstel des Durchmessers eines Haares beträgt. Als Grundlage dienen häufig winzige zylindrische oder halbtropfenförmige Gebilde. Forscher vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart haben einen besonders eleganten und universellen Weg gefunden, wie sich solche Nanoröhrchen und Quantenpunkte mit maßgeschneiderten Eigenschaften gezielt an jeder Stelle einer Oberfläche herstellen lassen. Für diese Leistung werden Oliver Schmidt und seine Kollegen dieses Jahr den renommierten Philip Morris Forschungspreis erhalten.

Die nanometergroßen Objekte lassen sich im Labor mittlerweile auf vielfältige Weise und in nahezu perfekter Qualität erschaffen. Die Wissenschaftler nutzen dazu beispielsweise die Selbstorganisation, ein sogenanntes Bottom-up-Verfahren, bei dem sich kleinere Atom- oder Molekülverbände zu größeren Objekten von alleine zusammenfügen. Allerdings läuft dieser Prozeß recht unkontrolliert ab, so daß sich nur schwer vorherbestimmen läßt, wo genau diese Objekte entstehen. Derartige Schwierigkeiten haben lithographische und spezielle Ätzverfahren nicht, weil man hier die Bauteile aus einem größeren Werkstück herausarbeitet. Doch auch diese Top-down-Techniken haben Nachteile. So läßt die Qualität der Kristalle der Bauteile häufig zu wünschen übrig, weil durch den Ätzprozeß Grenzflächen und Oberflächen weitgehend zerstört werden. Außerdem ist die Miniaturisierung nicht unbegrenzt möglich. Die Stuttgarter Wissenschaftler nutzen nun in ihren Arbeiten die Vorteile der Bottom-up- und der Top-down-Techniken. Sie können damit Nanoröhrchen und Nanoinseln aus Halbleitermaterialien beliebiger Größe und Beschaffenheit erzeugen und sie gezielt an jeder Stelle einer Oberfläche plazieren.

Zur Herstellung von Nanoröhrchen scheiden die Forscher zunächst eine spezielle "Opferschicht" auf ein halbleitendes Substrat aus Galliumarsenid ab. Dazu verwenden sie die Molekularstrahlepitaxie, ein Verfahren, mit dem sich kristalline Halbleiterschichten hoher Qualität und Präzision mit Dicken bis hinunter zu einer einzigen Atomlage herstellen lassen. Danach wird die Opferschicht nacheinander mit zwei halbleitenden Materialien - etwa Indium-Galliumarsenid und Galliumarsenid - bedampft, die verschiedene Gitterkonstanten besitzen. Durch die unterschiedliche Größe der Moleküle baut sich zwischen den beiden Halbleiterschichten eine Spannung auf. Wird nun die darunterliegende Opferschicht weggeätzt, löst sich das Doppelschichtsystem von der Unterlage wie eine Folie ab und rollt sich zu einem Röhrchen zusammen. Dessen Durchmesser wird durch die innere Verspannung und die Dicke der beiden Schichten bestimmt. Die abgelösten dünnen Schichten können auch gefaltet werden.

Mit dem Verfahren läßt sich eine Vielzahl neuer Nanokomponenten wie Ringe, Stäbchen, Lassos, Pipelines oder Membranen aus den verschiedensten Materialien herstellen. Diese Objekte könnten in Zukunft Bestandteile von Mikro- und Nanospulen, von Transformatoren oder Pipelinesystemen auf einem Chip sein. Die Wissenschaftler um Oliver Schmidt können außer den Nanoröhrchen auch Quantenpunkte oder Nanoinseln erzeugen, die regelmäßig auf einer Oberfläche angeordnet sind. Dazu ist jedoch ein etwas aufwendigeres Verfahren notwendig. Zunächst wird mit konventionellen Top-down-Techniken die Oberfläche einer Siliziumoberfläche mit flachen parallelen Gräben versehen. Zum Glätten der scharfen Kanten und Ecken wird anschließend eine dünne Siliziumschicht abgeschieden. Darüber werden abwechselnd kristalline Schichten von Silizium-Germanium und Silizium aufgetragen. Dabei lagert sich das Silizium-Germanium bevorzugt in den Gräben an und bildet dort eine Verdickung.

Da die Gitterkonstante des Silizium-Germanium-Kristalls größer ist als die des nachfolgenden Siliziumkristalls, dehnt sich das Gitter der Siliziumschicht an der Stelle der Verdickungen besonders stark aus. Die dadurch entstehenden Verspannungen pflanzen sich von Schicht zu Schicht fort. Die letzte Siliziumschicht hat zwar wieder eine glatte Oberfläche, besitzt aber gedehnte Bereiche, wo sich das zuallerletzt aufgetragene Germanium bevorzugt anlagert. Dort entstehen Quantenpunkte mit hoher Kristallqualität, die exakt entlang der zuvor erzeugten Grabenstrukturen angeordnet sind.

Mit den Quantenpunkten haben die Forscher winzige, aber äußerst schnelle Feldeffekttransistoren, sogenannte Dotfets, gebaut. Diese schalten mit Frequenzen von mehr als hundert Gigahertz. Die Dotfets könnten damit ein wichtiges Bauelement für noch schnellere Computerchips und höhere Speicherkapazitäten werden. Die Stuttgarter Wissenschaftler wollen in den nächsten Monaten das Potential der neuartigen bereits patentierten Transistoren ausloten.

BARBARA WANTZEN

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 03.04.2002, Nr. 77 / Seite N2

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